Термодинамические показатели оценки энергетической эффективности и особенности их применения в теплотехнике и теплотехнологиях

Термодинамические критерии оценивают степень совершенства процесса производства, трансформации, передачи или потребления энергии и коли­чественно отражают потери энергии в ходе этого процесса. Они показы­вают, насколько отличается рассматриваемый процесс от идеального, в котором достигаются минимальные теоретически достижимые затраты энергии. Такое критерий, как эксергетический КПД, учитывает не только количество, но и качество полезно получаемой энергии, определяемое воз­можностью ее преобразования в механическую работу.

Критерии, получаемые на основе энергетического анализа

В общем виде КПД определяется как отношение полученного полезного результата к общим затратам. Для оценки полноты энергетических превра­щений при различных процессах на основе энергетического баланса исполь­зуетсяэнергетический КПД:

*

где Q_пол — полезно использованная энергия; Q₀ — израсходованная энергия; Q_бесп — бесполезные затраты энергии.

Этот КПД может быть определен на основании энергетического баланса рассматриваемого объекта. Его можно вычислить либо по затратам полез­ной энергии на проведение процесса, либо через бесполезные затраты (потери) подведенной энергии (по обратному балансу) в зависимости от того, что может быть более точно определено в конкретных условиях. Потери энергии связаны с тем, что она отводится из открытой системы (котла, тепловой сети, теплообменного аппарата, технологической уста­новки) в окружающую среду и не используется на получение полезного эффекта.

Во многих случаях часть теряемой энергии может быть возвращена в сис­тему, при этом снижается количество расходуемой энергии.

Несмотря на простую форму записи существуют трудности в вычислении энергетического КПД, связанные с определением полезного эффекта и общих затрат.

Согласно [2]полезная энергия — энергия, теоретически необходимая (в идеализированных условиях) для осуществления заданных операций, тех­нологических процессов или выполнения работы и оказания услуг. Полезная энергия в различных процессах определяется [2]:

а) в освещении — по световому потоку ламп;

б) в силовых процессах:

для двигательных процессов — по рабочему моменту на валу двигателя;

для процессов прямого воздействия — по расходу энергии, необходи­мому в соответствии с теоретическим расчетом для заданных условий;

в) в электрохимических и электрофизических процессах — по расходу энергии, необходимому в соответствии с теоретическим расчетом (для заданных условий);

г) в термических процессах — по теоретическому расходу энергии на нагрев, плавку, испарение материала и проведение эндотермических реакций;

д) в системах отопления, вентиляции, кондиционирования, горячего водоснабжения, холодоснабжения — по количеству теплоты (холода), полу­ченному пользователями;

е) в системах преобразования, хранения, транспортировки топливно-энерге­тических ресурсов — по количеству ресурсов, получаемых из этих систем.

Существуют различные подходы к определению затрат энергии. Израсхо­дованной (затраченной) нередко считается энергия, подведенная с энергоно­сителями. Однако при этом часто не учитывается поступление теплоты с физической теплотой топлива, окислителя, исходного материала. Также часто не учитываются теплота экзотермических химических реакций, проте­кающих в ходе производственного процесса (например, в ряде химических и металлургических производств), и теплота конденсации водяных паров, образующихся при сжигании топлива либо содержащихся во влажном воз­духе. Все это может приводить к ошибочным результатам. Корректно опреде­ленный КПД не может быть больше единицы. Только в этом случае он может быть мерой эффективности использования энергии.                                                

Обычно КПД вычисляется при номинальном режиме работы оборудова­ния или при номинальной нагрузке предприятия (производства). Он также может быть представлен в виде графической зависимости от нагрузки.

Рассмотрим способы определения КПД при производстве, передаче и использовании энергии.

КПД тепловой электростанции равен отношению получаемой электриче­ской мощности к затратам тепловой мощности при выработке электрической:

 

 

Здесь N — вырабатываемая электрическая мощность; В — расход топлива; — низшая теплота сгорания топлива.

Для паротурбинной установки основными потерями энергии являются теплота, отводимая в конденсаторе, а также теплота, удаляемая с уходя­щими газами. Для ТЭЦ вычисляются два КПД: по выработке электрической энергии и по выработке теплоты.

КПД парового котла (рассчитанный по низшей теплоте сгорания топлива)

 

Здесь D — расход получаемого пара; h_п — энтальпия пара; h_п.в — энтальпия питательной воды.

Для водогрейного котла

 

Здесь G — расход нагретой воды; h_н.в — энтальпия нагретой воды; h_п.в — энтальпия питательной воды.

Основными потерями при работе котлов являются потери с уходящими газами, с химическим и механическим недожогами, с удаляемыми шлаками и потери через ограждение котла. Подробнее о вычислении КПД котлов излагается ниже (см. гл. 5).

КПД передачи теплоты по тепловой сети можно выразить как отно­шение теплоты, полученной потребителем, к теплоте, затраченной ее источ­ником:

 

 

Основные потери в тепловой сети — потери через теплоизоляцию тру­бопроводов и с утечками теплоносителя.

В закрытой водяной системе теплоснабжения, где расход воды по подаю­щему трубопроводу равен расходу ее по обратному трубопроводу (см. гл. 6), КПД вычисляется по формуле

 

 

где Q — тепловой поток, поступающий потребителю, Вт; G₁ — расход теп­лоносителя в подающем трубопроводе, кг/с; h₁, h₂ — энтальпии теплоноси­теля в подающем и обратном трубопроводах, Дж/кг.

Для открытой водяной системы теплоснабжения, в которой существуют утечки или разбор теплоносителя, КПД определяется в виде

 

 

где h_х.в — энтальпия холодной воды, используемой для подпитки системы теплоснабжения источника теплоты, Дж/кг; G₂ — расход теплоносителя в обратном трубопроводе, кг/с.

Количество затраченной теплоты определяется в этом случае из тепло­вого баланса источника теплоты. Холодная вода, которая идет на приготов­ление подпиточной воды, должна восполнить потери в тепловой сети с ее утечками и на водоразбор (рис. 3.1).

Тепловая мощность, получаемая потребителем, может быть определена по показаниям теплосчетчика.

Рис. 3.1. К определению КПД передачи теплоты по тепловой сети

Рассмотрим критерии эффективности передачи теплоты в рекуператив­ных теплообменных аппаратах — наиболее распространенном типе теплооб­менников. Согласно данному ранее определению энергетическийКПД рекуперативного теплообменника — это отношение переданной теплоты к теплоте, потерянной с выбросами ее в окружающую среду через корпус аппарата (если не учитывать затраты электроэнергии на перемещение тепло­носителей по тракту теплообменника):

 

 

Здесь η_пер — тепловой поток, переданный горячим теплоносителем; Q_получ — тепловой поток, полученный холодным теплоносителем; Q_пот — потери теп­лоты в окружающую среду. Поскольку потери теплоты, уходящей от наруж­ной поверхности аппарата в окружающую среду, составляют обычно 1—2 % переданной теплоты, то КПД теплообменного аппарата равен 98 — 99 %.

Этот критерий не представляет большого практического интереса для характеристики теплообменника и редко используется.

В качестве критерия передачи теплоты в рекуперативном теплообмен­нике можно использовать отношение теплового потока, переданного от горячего теплоносителя холодному Q_получ, к его максимально возможному значению Q_max заданных расходах теплоносителей и их температурах на входе в аппарат. Данный критерий был предложен В.М. Кэйсом и М.М. Лон­доном [5] и называетсякоэффициентом эффективности теплообменного аппарата:

 

где C₁, С₂ — водяные эквиваленты горячего и холодного теплоносителя;t'_1, t'₂ — температуры горячего и холодного теплоносителей на входе в теплооб­менник; t''₁, t''₂ — то же на выходе из теплообменника; C_min — водяной эквивалент, наименьший из величин С_х и С₂. Под водяным эквивалентом .теплоносителя подразумевается произведение его расхода на удельную теп­лоемкость.

При вычислении е_т считают, что тепловой поток, переданный горячим теплоносителем, равен тепловому потоку, принятому холодным теплоноси­телем, т.е. тепловыми потерями пренебрегают вследствие их малости.

Распределение температур в реальном и идеальном теплообменных аппа­ратах при одинаковых температурах теплоносителей на входе приведено на рис. 3.2.

Формула (3.9) представляет собой отношение фактической тепловой мощности теплообменника к максимально возможной, которая может быть реализована в противоточном теплообменнике с коэффициентом теплопере­дачи к       ∞ или с площадью поверхности теплообмена F       ∞ (в идеальном теплообменнике).

Коэффициент эффективности рекуперативного теплообменника при известном показателе — числе единиц переноса, можно опреде­лить следующим образом:

 

для прямоточного теплообменника

для противоточного теплообменника

где А=С_mах/ C_min.

 

 

Рис. 3.2. К определению коэффициента эффективности теплообменника:

1 — изменение температур теплоносителей в реальном теплообменнике; 2 — то же в идеаль­ном теплообменнике;

F_p — площадь поверхности теплообмена в реальном теплообменнике

При изменении в теплообменнике агрегатного состояния одного из тепло­носителей

Коэффициент эффективности приобретает смысл КПД только в системах утилизации теплоты отходящих газов Q_от.г, когда теплообменник играет роль теплоутилизатора. В этом случае утилизируемая в аппарате теплота возвращается в установку (например, с потоками сырья, воз­духа, направляемого в систему вентиляции или на сжигание топлива, воды для горячего водоснабжения) и полезно используется, а оставшаяся часть теплоты Q_пот выбрасывается вместе с потоком теплоносителя в окружаю­щую среду и представляет собой потери энергии (рис. 3.3).

В данном случае КПД зависит от площади поверхности теплообмена аппарата и от коэффициента теплопередачи, характеризующего интенсив­ность передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному. Рост КПД и экономии теплоты в теплоутилизационной установке часто достигается за счет увеличения поверхности теплообмена, т.е. за счет дополнительных финансовых затрат.                                                                                    ^

РассмотримКПД технологических установок на примере конвективной сушильной установки. Физические процессы, протекающие в технологиче­ских установках различных типов, отличаются большим своеобразием, и для каждой из них можно определить частные критерии энергетической эффек­тивности, неприменимые к установкам других типов. Для многих физиче­ских процессов формально записанная формула для вычисления КПД имеет не более чем условный характер.

В частности, для сушки обычно в качестве полезно израсходованной теп­лоты рассматривают теплоту, затраченную на испарение влаги или на испаре­ние влаги и нагрев сушимого материала, и уже в этом заключена известная условность. Для конвективной сушильной установки (рис. 3.4) с однократным использованием сушильного агента формула для определения КПД имеет вид

 

 

где t₀ , t₁,t₂ — температуры атмосферного воздуха на входе в подогреватель, в сушильную камеру и на выходе из нее соответственно; Q_пол — полезно исполь­зованный тепловой поток; Q_подв — тепловой поток, подведенный к воздуху в подогревателе; G, с_р — расход и удельная теплоемкость воздуха.

 

Рис. 3.3. К определению КПД теплообменника-утилизатора

Рис. 3.4. К определению КПД сушильнои установки

Потери теплоты в данном случае представляют собой потери в окружаю­щую среду через ограждения сушильной камеры и потери с отходящим сушильным агентом. Последний не полностью отдает теплоту сушимому материалу и%три этом не полностью насыщается влагой.

Областью изменения подобного КПД сушильной установки является интервал 0< η_с < η_s, где η_s — предельный КПД сушильной установки, достигаемый в том случае, когда воздух на выходе из установки полностью насыщается влагой и его температура становится равной температуре адиа­батного насыщения t_s,

 

 

Таким образом, значение η_с вовсе не изменяется в пределах от нуля до еди­ницы, как установлено для корректно определенного КПД. Это объясняется тем, что при сушке материала полезно используется не только теплота, под­веденная к калориферу, но и физическая теплота сушильного агента до его подогрева, которая не учитывается при расчете КПД. Чтобы исправить этот недостаток, модифицированный КПД сушильной установки Е определяют как отношение КПД сушильной установки к предельному:

 

При этом Е будет лежать в интервале 0 < Е < 1.

Коэффициент полезного использования энергии — отношение всей полезно используемой в хозяйстве (на установленном участке, в энергоуста­новке и т.п.) энергии к суммарному количеству израсходованной энергии в пересчете ее на первичную.

Коэффициент полезного использования энергии потребителем, %, вычис­ляется в виде [6]

 

 

где Q_пол — полезно использованная энергия у потребителя; Q_отх — полезно использованные вне потребителя энергетические отходы (ВЭР); Q₀ — израс­ходованная энергия.

Например, отходами, полезно использованными вне потребителя, могут являться полученный в технологической установке (потребителе теплоты) в результате процесса выпаривания растворов пар низких параметров или горячая вода, полученная при охлаждении тепловыделяющего оборудова­ния. В обоих случаях теплота отходов может быть направлена, например, на нужды теплоснабжения предприятия.                                                              

Оценку общей эффективности использования ТЭР на промышленных предприятиях можно осуществлять пополному энергетическому КПД предприятия (производства) [6], определяемому по следующей формуле:

 

 

 

где Э_пол — суммарная полезно использованная энергия; Э_доп — дополни­тельная энергия, выработанная и используемая внутри рассматриваемого объекта, а также отпускаемая на сторону; Э_подв — суммарная подведенная энергия; Э_внутр — суммарная энергия, полученная за счет экзотермических реакций, а также вторичных энергоресурсов других производств.

Поясним понятие полного энергетического КПД производства, используя рис. 3.5.

На производство 1 промышленного предприятия поступают энергетиче­ские ресурсы 3j в виде теплоты, электроэнергии, топлива. Часть из них Э_пол полезно используется на проведение технологического процесса. Во время производственного процесса выделяется теплота экзотермических реакций Э_экз. На производстве 1 вырабатывается энергия, часть которой Э_дои1 исполь­зуется в производстве 2, а часть Э_доп2 направляется потребителям, находя­щимся вне предприятия. На производство 1 поступают вторичные энергетические ресурсы Э_вэр производства 3.

Рис. 3.5. К определению полного энергетического КПД производства 1

Тогда полный энергетический КПД производства 1 составит

 

 

Энергетический КПД можно увеличить следующими способами: сокращением потерь, например, в системе отопления за счет улучшения теплвизоляции здания, в котельной установке за счет уменьшения присосов воздуха по тракту котла и т.п.;

уменьшением потерь теплоты, аккумулированной конструкцией уста­новки либо обрабатываемыми материалами, в окружающую среду за счет лучшей организации технологического процесса;

возвратом части энергии обратно в установку за счет использования энергии уходящих из нее потоков тепла и теплоносителей (регенеративное использование энергии);

переходом на более совершенные технологические процессы. Проведению мероприятий по сокращению потерь энергии до их мини­мально возможного теоретического значения, как правило, препятствуют ограничения экономического, экологического, санитарно-гигиенического и технологического характера. Так, например, увеличение толщины тепловой изоляции поверхности трубопроводов сокращает потери теплоты, но не всегда оправдано экономически; сокращение потерь энергии при снижении температуры выбрасываемых в атмосферу через дымовые трубы продуктов сгорания топлива приводит к ухудшению их рассеивания в атмосфере и осложнению экологической обстановки; за счет уменьшения площади окон­ных проемов сокращаются потери теплоты зданием, но одновременно сни­жается освещенность в помещениях и др. Проведение энергосберегающих мероприятий в любом случае не должно вступать в противоречие с техноло­гическими требованиями и ухудшать качество продукции.

 

---

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 2843; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!